Alternative Berechnungen

Ein alternatives Berechnungsverfahren entwickeln

Wir betrachten noch einmal das gitterförmige Wegenetz und die Funktion anzahlWege zur Bestimmung der Anzahl der Wege vom Startpunt (0,0) zu einem Zielpunkt (n,k).

Ein interessante Beobachtung: Die Anzahl der Wege zu inneren Punkten kann man mit Quotienten aus geeignet gebildeten Produkten bestimmen.

anzahlWege 9 1 -> 9   = (9*8*7*6*5*4*3*2*1)//((1)*(8*7*6*5*4*3*2*1))
anzahlWege 9 2 -> 36  = (9*8*7*6*5*4*3*2*1)//((2*1)*(7*6*5*4*3*2*1))
anzahlWege 9 3 -> 84  = (9*8*7*6*5*4*3*2*1)//((3*2*1)*(6*5*4*3*2*1))
anzahlWege 9 4 -> 126 = (9*8*7*6*5*4*3*2*1)//((4*3*2*1)*(5*4*3*2*1))
anzahlWege 9 5 -> 126 = (9*8*7*6*5*4*3*2*1)//((5*4*3*2*1)*(4*3*2*1))
anzahlWege 9 6 -> 84  = (9*8*7*6*5*4*3*2*1)//((6*5*4*3*2*1)*(3*2*1))
anzahlWege 9 7 -> 36  = ...
anzahlWege 9 8 -> 9   = ...

Aufgabe 1

(a) Kontrolliere die gezeigten Produktberechnungen.

(b) Ergänze analog die fehlenden Produktberechnungen.

(c) Kontrolliere mit weiteren Beispielen, ob man die Anzahl der Wege immer analog bestimmen kann.

Aufgabe 2

Zur Bestimmung der Anzahl der Wege kann man auch Produkte von Zahlen beginnend mit einer Zahl n bis hin zur Zahl 1 verwenden. Solche Produkte sollen mit einer Funktion produkt bestimmt werden.

Signatur:
produkt: Int -> Int
Beispiele:
produkt 1 -> 1   = 1
produkt 2 -> 2   = 2*1
produkt 3 -> 6   = 3*2*1
produkt 4 -> 24  = 4*3*2*1

(a) Ergänze zunächst die folgende Reduktionsregel für konkrete Zahlenwerte.

Rekursionsschritt:

produkt 5 -> ... produkt 4

(b) Ergänze die Reduktionsregeln für beliebige Zahlenwerte.

Rekursionsschritt:

Falls n > 1 ist:
produkt n -> ... 

Rekursionsanfang:

Falls n == 1:
produkt n -> ... 

(c) Entwickle eine Funktionsdefinition für die Funktion produkt und teste sie in der REPL.

produkt n =
    if n == 1 then
        ...
    else 
	    ...

Aufgabe 3

Mit Hilfe der Funktion produkt kann man die folgende Funktionsdefinition für die Funktion anzahlWege verwenden. Vergleiche mit den Berechnungen ganz oben und teste diese Funktionsdefinition.

anzahlWege n k =
    if (k == 0) || (k == n) then 
        1 
    else 
        (produkt n) // ((produkt k)*(produkt (n-k)))

Ein weiteres Berechnungsverfahren entwickeln

Die Anzahl der Wege zu inneren Punkten kann man auch so bestimmen.

anzahlWege 2 1 -> 2   = 2 // 1
anzahlWege 3 1 -> 3   = 3 // 1
anzahlWege 3 2 -> 3   = (3*2)//(2*1)
anzahlWege 4 1 -> 4   = 4 // 1
anzahlWege 4 2 -> 6   = (4*3)//(2*1)
anzahlWege 4 3 -> 4   = (4*3*2)//(3*2*1)
anzahlWege 5 1 -> 5   = 5 // 1
anzahlWege 5 2 -> 10  = (5*4)//(2*1)
anzahlWege 5 3 -> 10  = (5*4*3)//(3*2*1)
anzahlWege 5 4 -> 5   = (5*4*3*2)//(4*3*2*1)
anzahlWege 6 1 -> 6   = ...
anzahlWege 6 2 -> 15  = ...
anzahlWege 6 3 -> 20  = ...
anzahlWege 6 4 -> 15  = ...
anzahlWege 6 5 -> 6   = ...
...
anzahlWege 9 4 -> 126 = ...

Im Nenner stehen in der Übersicht immer Produkte von Zahlen beginnend mit einer Zahl n bis zur Zahl 1. Solche Produkte können wir bereits mit der Funktion produkt bestimmt.

Im Zähler stehen in der Übersicht immer Produkte von Zahlen beginnend mit einer Zahl n bis hin zu einer Zahl m. Solche Produkte sollen mit einer Funktion produktVonNbisM bestimmt werden.

Signatur:
produktVonNbisM: Int -> Int
Beispiele:
produktVonNbisM 5 5 -> 5
produktVonNbisM 5 4 -> 5*4
produktVonNbisM 5 3 -> 5*4*3
produktVonNbisM 5 2 -> 5*4*3*2
produktVonNbisM 5 1 -> 5*4*3*2*1

Aufgabe 4

(a) Ergänze die Reduktionsregeln für die Funktion produktVonNbisM.

Rekursionsschritt:

Falls n > m ist:
produktVonNbisM n m -> ... produktVonNbisM (n-1) m

Rekursionsanfang:

Falls n == m:
produktVonNbisM n m -> ... 

(b) Entwickle eine Funktionsdefinition für die Funktion produktVonNbisM und teste sie in der REPL.

produktVonNbisM n m =
    if n == m then
        ...
    else 
        ...

(c) Nutze die Funktion produktVonNbisM um eine Funktionsdefinition für die Funktion anzahlWege zu bestimmen.

anzahlWege n k =
    if (k == 0) || (k == n) then 
        1 
    else 
        ...